(完整版)各常用电磁无损检测方法原理-应用-优缺点比较

一普通涡流检测1原理涡流检测是以电磁感应为基础，通过测定被检工件内感生涡流的变化来无损地评定导电材料及其工件的某些性能，或发现其缺陷的无损检测方法。当载有交变电流的试验线圈靠近导体试件时，由于线圈产生的交变磁场的作用感应出涡流，涡流的大小，相位及流动形式受到试件性能和有无缺陷的影响，而涡流产生的反作用又使线圈阻抗发生变化，因此，通过测定线圈阻抗的变化，就可以推断被检试件性能的变化及有无缺陷的结论。2发展1涡流现象的发现己经有近二百年的历史。奥斯特(Oersted、安培(Ampere),法拉弟(Faraday、麦克斯韦(Maxwell)等世界著名科学家通过研究电磁作用实验，发现了电磁感应原理，建立了系统严密的电磁场理论，为涡流无损检测奠定了理论基础[l]。1879年，体斯(Hughes)首先将涡流检测应用于实际一一判断不同的金属和合金，进行材质分选。自1925年起，在美国有不少电磁感应和涡流检测仪获得专利权，其中，Karnz直接用涡流检测技术来测量管壁厚度;Farraw首次设计成功用于钢管探伤的涡流检测仪器。但这些仪器都比较简单，通常采用60Hz,110V的交流电路，使用常规仪表(如电压计、安培计、瓦特计等)，所以其工作灵敏度较低、重复性较差。二战期间，多个工业部门的快速发展促进了涡流检测仪器的进步。涡流检测仪器的信号发生器、放大器、显示和电源装置等部件的性能得到了很大改进，问世了一大批各种形式的涡流探伤仪器和钢铁材料分选装置，较多地应用于航空及军工企业部门。当时尚未从理论和设备研制中找到抑制干扰因素的有效方法，所以，在以后很长一段时间内涡流检测技术发展缓慢。直到1950年以后，以德国科学家福斯特(Foster)博士为代表提出了利用阻抗分析方法来鉴别涡流检测中各种影响因素的新见解，为涡流检测机理的分析和设备的研制提供了新的理论依据，极大地推动了涡流检测技术的发展。福斯特也因此当之无愧地被称为“现代涡流检测之父”。由于福斯特的卓越贡献，自20世纪50年代起，美国、前苏联、法国、英国等工业发达国家的科学家积极开展涡流检测技术研究。到20世纪70年代以后，电子技术和计算机技术飞速发展，有效地带动了涡流检测仪器技术性能的改进，进一步突现了涡流检测技术在探测导电材料表面或近表面缺陷应用中的优越性。世界各国相继开展了大量的涡流检测技术研究和仪器开发工作，发表了大量的研究论文，并研制生产了一些高性能的涡流检测仪器[L=}l。我国从20世纪60年代开展涡流检测技术的研究工作，并先后研制成功了一系列涡流检测仪器，如厦门爱德森公司的系列涡流检测仪器。涡流检测技术的发展得到实质性的突破并步入实用化阶段。此后，随着电子技术尤其是计算机和信息处理技术的进一步发展，影响和促进了涡流检测技术与仪器的不断更新和进步。从涡流检测仪器的发展历程来看，可分为五代产品[fall。第一代产品是以分立元件为基础，采用简单谐振方式的一维显示模拟仪器，只有一种检测频率。第二代产品是以阻抗平面分析法为基础，部分采用集成电路技术的二维显示模拟仪器，检测时可以选择不同的激励频率以适应不同检测材料的要求。第三代产品是多频涡流检测仪器，检测时对探头施加两个或两个以上不同的检测频率，利用不同频率下被检导体材料反射阻抗不同的原理，提高了对材料特性或缺陷的检测能力，并通过混和运算抑制干扰信号，达到去伪存真的目的。第四代产品是以计算机技术为基础的智能化、数字化产品，其特点是能够大大简化操作，提高检测效率和数据处理能力，并具备频谱分析、涡流成像等功能。第五代产品是DSP技术、阵列技术、多通道技术、通信传输技术及其它无损检测技术相互融合为一体的多功能仪器，它能够对缺陷进行检测、分析、判断，并通过其它技术的辅助检测，验证其结果的正确性。涡流检测技术己进入一个全新的发展时代，具有乐观的发展前景。经过一百多年的时间，涡流检测技术得到了很大的发展，特别是近段时间以来，英国的DERA和美国的Iowa州立大学等研究机构做了很多的工作，在获取信号、测量参数的选择、信号处理和结果显示等方面开展了大量的研究，进一步推动了涡流检测技术的发展[10]。在国内，新世纪以来发表的文章大都着眼于三维缺损响特征的仿真技术研究、数字处理技术研究、检测系统研制等。清华大学博士后雷银照的课题是核电站石墨涡流检测理论和技术，华中科技大学CAD中心博士后蒋齐密在国家自然科学基金项目“基于hp有限元和电磁场分布的产品质量检测技术的研究”中主要研究有限元数值仿真技术[11]。3应用目前，涡流检测在工业生产中获得了广泛的应用，特别是在核电厂蒸汽发生器管道的检测中，具有其他方法不可替代的作用[12]。我国当前把核电作为大力发展的对象，提高我国的涡流检测能力与水平具有重要意义。在线检测，用于工艺检查，在制造和产品检查。4优缺点1.非接触检测，能穿透非导体涂镀层，可以在不清除零件表面油脂、积碳和保护层的情况下进行检测。2.检测无需祸合介质，可以在高温状态下进行检测。探头可伸入到远处作业，故可对工件的狭窄区域、深孔壁等进行检测。3.对工件表面或近表面的缺陷，有很高的检出灵敏度，且在一定的范围内具有良好的线性指示，可对大小不同的缺陷进行评价。4.可以对工件表面涂层厚度进行测量，如测量导电覆盖层或非导电涂层的厚度;可以对导体的电导率进行测量，进行材料的分类。5.由于检测信号为电信号，所以可对检测结果进行数字化处理，并将处理后的结果进行存储、再现及进行数据比较分析。6在常规涡流检测过程中，主要通过测量涡流传感器输出信号的变化以得到被检对象特性。被检对象中影响涡流传感器输出信号的因素很多，诸如磁导率、电导率、外形尺寸和缺陷等，各种因素的影响程度各异。另一方面，在一次检测过程中，有时需要同时获得被检对象的多个参数。常规涡流检测技术采用单一频率工作，获取的信息量有限，难以满足实际检测过程中的更高需求。7涡流检测是当前在线检测应用最为普遍成熟的检测手段，但是涡流检测自身存在一定缺陷，干扰因素多，提离效应人，且难以对缺陷进行当量分析。8涡流检测的优点是不需要直接接触，无需耦合介质，速度快，易于实现自动化。具有较高灵敏度，可在高温下作业，同时探头可伸向远处等。但是常规涡流检测技术也有不足之处:检测对象必须是导电材料,只能检测管道表面或近表面缺陷，干扰因素多，对缺陷的定性和定量还比较困难[13]。涡流检测技术的缺点是：(1)只限于导电材料;(2)只限于表面或近表面;(3)干扰因素多，需进行特殊处理;(4)对复杂形状的构件进行测试的效率低;(5)探伤时难以判断缺陷的种类和形状。5其他与常规涡流检测技术相比，涡流阵列检测技术的主要不同点是探头由多个独立工作的线圈构成，这些线圈按照特殊的方式排布，且激励线圈与检测线圈之间形成两种方向相互垂直的电磁场传递方式，有利于发现取向不同的线性缺陷[[66,67]涡流阵列探头中包含几个或几十个线圈，不论是激励线圈，还是检测线圈，相互之间距离都非常近，保证各个激励线圈的激励磁场之间、检测线圈的感应磁场之间不相互干扰，是涡流阵列检测技术的关键。在检测过程中，采用电子学的方法，按照设定的逻辑顺序，对阵列单元分时切换，将各单元获取的涡流检测信号采集进入仪器的信号处理系统。涡流阵列检测技术除了具有扫查覆盖面积大、检测速度快等优点外，其探头外形可根据实际被检对象的形面进行设计，因此还具有容易克服提离效应影响的优势;采用C扫描显示方式时，图像直观清晰，检测结果一目了然[[68,69]涡流阵列检测技术不仅能够对被检对象展开的或封闭的检测面进行大面积的高速扫描，而且能用于扫描任何固定形状构成的检测面，如各种异型管、棒、条、板材，以及飞机机体、轮毅，发动机涡轮盘桦齿、外环、涡轮叶片等构件的表面[[70-75]二远场涡流检测1原理远场涡流检测技术是一种能穿透金属管壁的低频涡流检测技术[[55,56]。探头通常为内通式，由激励线圈和检测线圈构成，检测线圈与激励线圈相距约2-3倍管内径长度;激励线圈通以低频交流电流，感应出的磁力线穿过管壁向外扩散，在远场区又再次穿过管壁向管内扩散，被检测线圈接收，从而有效地检测金属管子的内、外壁缺陷和管壁厚薄变化等情况[[57-60]。2发展远场效应是20世纪40年代发现的，各国科学家对远场涡流检测技术进行了不断的探索，使远场涡流理论得到了逐步完善和实验验证。直至2000年，美国试验与材料学会(AmericanSocietyforTestingandMaterials,ASTM)颁布了“StandardPracticeforInSituExaminationofFerromagneticHeat-ExchangerTubesUsingRemoteFieldTesting”的标准，标志着远场涡流检测技术正式被接受成为一项有效的管道无损检测方法。3应用远场涡流检测技术主要应用于核反应堆压力管、石油及天然气输送管和城市煤气管道等结构的探伤4优缺点(1远场涡流技术检测的是穿过管壁后在管外沿管轴传播一段距离再返回到管内的磁场，接收线圈必须处于距激励线圈2}3倍管径处的远场区。常规涡流技术则是采用靠近管壁的线圈以直接磁祸合的形式来拾取传播到管壁又返回的信号。(2)远场涡流检测仪频率较低(典型为50500Hz),磁场可以穿过铁磁性材料管壁，为了保证在激励的每个周期内采集到信号，并且不漏检，其检测速度受到限制，通常只有常规涡流检测方法的1/3}1/5，约在10}20m/min之问。常规涡流检测仪频率较高(1000Hz范围)，在铁磁性材料管道中，磁场被限制在管道的内表面，检测外部缺非常困难。(3)远场涡流技术主要用于检测铁磁性管道，也可以用于检测非铁磁性管道，其最大优势是能检查厚壁铁磁性管道，最大检测壁厚为25~，这是常规涡流技术无法达到的。其次，对大范围壁厚缺损，远场涡流检测技术的检测灵敏度和精确度较高，精度可以达到2%一5%，对于小体积的缺陷，如腐蚀凹坑等，其检测灵敏度的高低取决于被测管道的材质、壁厚、磁导率的均匀性、检测频率和探头的拉出速度等因素。常规涡检测技术与其相比造价较低，一般适用于检测非铁磁性材料。(4)远场涡流检测技术测量的是接收线圈输出的相位和幅度信号，条形图显示的是相位和幅度的对数，这些参数都和管材大范围的缺损呈线性关系。常规涡流检测显示的是阻抗幅度和相位，与壁厚的关系较复杂。(5)远场涡流检测仪对内外管壁缺损有相同的检测灵敏度，对填充系数要求低，对有障碍物和凹痕的管了检测效果很好，对探头在管内行走产生的偏心影响比常规涡流小。远场涡流检测最大优势是能检查厚壁铁磁性管道，最大检测壁厚为25mm，同时也可检测非铁磁性材料。该方法对大范围壁厚缺损检测灵敏度和精确度较高。对于小体积的缺陷，其检测灵敏度的高低取决于被测管道的材质、壁厚、磁导率的均匀性、检测频率和探头的拉出速度等因素。由于对管内壁和管外壁缺陷具有相同的灵敏度，因此无法对内外壁的缺陷定位。(1)渗透性变化会产生类似金属缺损的信号，掩盖真正的金属缺损信号。需要研究开发一种能把渗透性变化的情况滤除或将其区分出来的方法。(2}支撑板会阻挡磁力线的传播，掩盖缺损信号，导致靠近支撑板的管面检测困难。(3)管了的弯曲部位在壁厚和渗透性上变化很大，严重影响了远场涡流信号，探测此处的缺陷和缺陷尺寸成为问题。(4)检测时，必须保证检测速度的平稳，不能引起振动噪声，否则振动噪声会湮没缺陷信号。三脉冲涡流检测1原理脉冲涡流检测技术采用脉冲信号激励，通常为具有一定占空比的周期矩形波，施加在探头上的激励信号会感应出脉冲涡流在被检对象中传播。根据电磁感应原理，此脉冲涡流又会感应出一个快速衰减的磁场;随着感生磁场的衰减，检测线圈上就会感应出随时间变化的电压2发展3应用脉冲涡流检测技术主要应用于导体较深层缺陷、飞机机身多层结构等的探测。脉冲涡流目前主要用于军用和民用吃机的无损检测中，在多层金属结构中问层或次表面缺陷的检测有应用优势，并被证明能有效地实现对吃机多层结构和机身重叠部位隐含的腐蚀缺陷的检测和评估。4优缺点脉冲涡流检测技术具有许多优势。常规涡流检测技术采用单一频率的正弦信号作为激